电动车用Halbach永磁轮毂电机的分析设计

金小香

摘要:本文提出一种用于电动车的轮毂电机，采用Halbach永磁阵列，与传统径向充磁方式相比，它能减小转子轭部的磁密，进而可以减小电机的铁芯损耗和体积，此外，它还可以增加气隙磁密，因此，本文所提出的电机具有高转矩密度和高效率。利用有限元软件对该电机进行仿真分析设计，结果显示该Halbach永磁轮毂电机适合于直驱电动车用。

关键词:Halbach；永磁轮毂电机；有限元

0引言

能源与环境污染的日益严重，致使电动汽车成为了目前的重要发展趋势。电机驱动系统是电动汽车的重要组成部分，它的驱动方式分为集中电机驱动和轮毂电机驱动[1]，其中，轮毂电机驱动将动力、传动和制动装置都集整在轮毂内，略去许多笨重的机械部件，精简了车辆的结构，成为电动汽车驱动方式的重要发展方向。但是，采用轮毂电机驱动方式，必然会增加车辆的非簧载质量，进而会使车辆行驶的平稳性与操控性变差，因此，研制集成度高、体积小、重量轻的高效率、高转矩密度轮毂电机驱动系统十分重要。

本文提出的电动车用Halbach永磁轮毂电机，基于磁齿轮的磁场调制原理[2]，采用低速外转子型结构，使得电机结构简单、无减速机构及齿轮的磨损问题，再利用Halbach阵列的自屏蔽效应[3]，提高了轮毂驱动电机的运行效率与转矩密度。

1Halbach永磁轮毂电机结构

本文提出的电动车用Halbach永磁轮毂电机结构如图1所示，从图中可以看出，该电机外转子与定子之间只有一层气隙，电机的外转子可以直接与轮胎轮辋相粘合，采用Halbach阵列充磁方式的钕铁硼永磁体嵌入在电机外转子的轭部，每极由三个永磁块组成。

图2（a）中展示了具体的永磁块的充磁方向，为了对比电机的性能，相应设计了径向充磁方式的永磁轮毂电机，如图2（b）所示。

该Halbach永磁轮毂电机基于磁齿轮的磁场调制原理，直接利用定子齿的端部来调制定子电枢绕组产生的高速旋转磁场和外转子上永磁体产生的低速旋转磁场。与磁齿轮或其他磁场调制型单气隙永磁电机相似[4] [5] ，本电机满足：

Pr = zs – ps （1）

其中，zs 是定子齿数，pr是外转子永磁体极对数，ps是定子电枢绕组极对数。相应的，电机的变速比Gr为：

（2）

其中m=1,3...,k=0,+1,+2...

设计该电机时，选取m=1,k=-1,因为此时能产生最大的磁场调制。定子槽中绕有三相对称电枢绕组，因此 zs 应该为3的倍数，综合考虑电机的制作工艺、电机的高性能、低转矩波动以及高转矩传输能力，将外转子极对数和电枢绕组极对数分别设计成23和4，根据公式(1)、(2)，分别得到zs=27， Gr= –5.75，也就是说电枢绕组产生的高速旋转磁场经磁场调制的作用，带动外转子低速旋转，转速只有电枢绕组旋转磁场的4/23，具有直驱能力，无需配备减速齿轮箱 。

2Halbach永磁轮毂电机设计

2.1Halbach 阵列

Halbach阵列通常可以通过将不同磁化方向的永磁块按规律组合而成。每极永磁块的个数不同，halbach阵列形式也就不同。每极永磁块的个数越多，得到的气隙磁密分布就越正弦，这可以帮助减小齿槽转矩。然而，每极永磁的块数越多，加工维护费用也越高。此外，不同的每极永磁体块数和磁化方向也会带来不同的磁场密度。

基于上述因数，将该Halbach永磁轮毂电机的每极永磁体块数设计为3。每极中三块永磁体的磁化方向如图2(a)所示，中间那块采用径向充磁，旁边两块的充磁方向相互对称，与中间的永磁块充磁方向成一角度θ。为了分析三块永磁体的宽度比（用b/2a 表示）和磁化方向（用θ表示）这两个量对电机的性能的影响，先将每极整个永磁体的宽度和厚度设定好。受永磁体加工工艺的限制，将b/2a 选定在0.33到0.55之间，考虑到气隙磁场密度，将θ选定在10°到80°之间。利用有限元仿真软件得出如图3所示的关系图，可以看出，在整个永磁体的宽度和厚度一定的情况下，θ在45°~ 50°之间时，电机的输出转矩比较大；b/2a在0.48 到 0.55的范围内，电机转矩变化幅度比较小，且当b/2a 为 0.54时，可以得到最大转矩。考虑到永磁块宽度过小后容易发生退磁，最终将Halbach 阵列充磁角度θ和宽度比b/2a分别设计为45°和0.48 。

2.2永磁体宽度

导致车辆动力系统振动和车辆内部噪音的主要原因之一就是轮毂电机的振动，因此，减小电机的转矩波动尤为重要。本文所提出的Halbach永磁轮毂电机中，永磁体的宽度是影响电机转矩波动的一个重要参数。图4展示了电机转矩波动随永磁体（磁化方向已优化）的宽度的变化关系。其中，X轴代表每极转子轭部宽度与整个永磁体宽度的比值，用图2(a)中的c/(2a+b)来表示。图4中可看出，当c/(2a+b)取0.6时，能获得最小转矩波动。

2.3永磁体厚度

永磁体的厚度对电机运行性能的影响也很大。最佳永磁体厚度的选取可以得到最大转矩传输能力。图5展示了永磁体厚度对输出转矩的影响。从图中可以看出，当永磁体厚度设计为3.8mm时，能得到最大转矩。

3Halbach永磁轮毂电机性能分析

在分析电机性能过程中，将Halbach永磁轮毂电机与径向充磁的永磁轮毂电机（如图2(b)所示）一起对比分析，两电机各个部分尺寸一模一样，唯一的不同就是永磁体的充磁方向。采用有限元软件对电机建模，并对其性能进行分析。图6(a) 和 (b)展示了两电机在初始位置时的空载磁场分布图。可以看出，(a)中定子齿上的磁力线比(b)中要密集许多，而(a)中外转子轭部磁力线比(b)中要稀疏很多。这也正体现出Halbach阵列的自屏蔽效应，即能使磁体一边磁场显著曾强，而是另一边磁场显著减弱。因此，Halbach永磁轮毂电机与径向永磁轮毂电机相比，可以提供更高的气隙磁密和更少的转子轭部磁密，进而可以减少铁芯损耗，提高电机效率。此外，通过减小转子轭部的厚度，可以减小Halbach永磁轮毂电机的体积和重量，这也有利于减小电动汽车驱动系统的非簧载质量，提高轮毂驱动电机转矩密度。endprint

图7展示的是电机在转速为800 rpm 时的空载反电势波形图，从图中可以看出，空载反电势波形为正弦波，Halbach永磁轮毂电机的反电势波形幅值比径向充磁方式电机的高了17.57%。图8展示的一定负载下的电机转矩波形图，从图中可以得出，Halbach充磁方式比径向充磁方式的永磁轮毂电机的转矩高了16.13%。相同质量或体积下，驱动电机的转矩密度自然得到了提高。

（下转第175页）

（上接第173页）

4总结

本文提出的Halbach永磁轮毂电机用于电动汽车，可以提供低速大转矩的运行方式。与径向永磁轮毂电机相比，它可以减小铁芯损耗、电机体积，并能获得更高的转矩和电机效率。基于有限元分析法，分析了该电机的磁密、空载反电势以及转矩等性能。结果显示该电机特别适用于电动汽车的直驱系统。

参考文献：

[1]黄苏融.现代盘式车轮电机设计技术[J].电机技术，2005(03) :3-7,

[2]王利利.磁场调制型永性齿轮与低速电机的研究[D].浙江：浙江大学,2012．

[3]Halbach K．Permanent magnets for production and use of high energy beams[C]．Proceedings of the 8th International Workshop on Rare-earth Permanent Magnets,1985:123-136．

[4]Chunhua Liu, Jin Zhong, and K. T. Chau, "A Novel Flux-Controllable Vernier Permanent-Magnet Machine," IEEE Trans. Magn., vol. 47, no. 10, pp: 4238-4241, October. 2011.

[5]Jiangui Li，K. T. Chau，J. Z. Jiang，Chunhua Liu，Wenlong Li．A new efficient permanent-magnet vernier machine for wind power generation[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2010,46(06):1475-1478．endprint